Обґрунтування параметрів безпеки робіт з утилізації ракетних двигунів твердого палива

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

УДК 622.235.4

Обгрунтування параметрів безпеки робіт з утилізації ракетних двигунів твердого палива

Спеціальність 05.26.01 - Охорона праці

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ШИман Леонід Миколайович

Дніпропетровськ - 2000



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національній гірничій академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, старший науковий співробітник ГОЛІНЬКО Василь Іванович Національна гірнича академія України, завідувач кафедри аерології та охорони праці

Офiцiйнi опоненти: доктор технічних наук, старший науковий івробітник

КАшуба Олег Іванович Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості, завідувач лабораторії боротьби з рудниковим пилом

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Соболєв Валерій Вікторович Національна гірнича академія України, професор кафедри будівництва шахт та підземних споруд

Провідна установа - Інститут геотехнічної механіки НАН України, відділ механіки вибуху гірничих порід (м. Дніпропетровськ)

Захист дисертацiї вiдбудеться "19" травня 2000р. о 14 годинi на засiданнi спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 при Національній гірничій академії України за адресою: 49027, м. Днiпропетровськ, пр. К.Маркса, 19

З дисертацiєю можна ознайомитись в бiблiотецi Національної гірничої академії України за адресою: 49027, м. Днiпропетровськ, пр. К.Маркса, 19

Автореферат розiсланий "18" квітня 2000 р.

Вчений секретар

спецiалiзованої вченої ради В.Т. Заїка



АНОТАЦIЯ

Шиман Л.М. Обгрунтування параметрів безпеки робіт з утилізації ракетних двигунів твердого палива - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.26.01 - “Охорона праці” - Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 2000. ракетний тверде паливо утилізація

У дисертацiї здійснено обгрунтування можливості безпечної утилізації ракетних двигунів твердого палива (РДТП) міжконтинентальних балістичних ракет РС-22, шляхом вилучення з них сумішевого твердого ракетного палива (СТРП) та його переробки у промислові вибухові речовини.

Виконано аналіз можливих шляхів утилізації РДТП, виявлені чинники, що впливають на безпеку процесу утилізації. Теоретично досліджена можливість виникнення аварійних ситуацій, пов'язаних в запаленням СТРП при вирізанні його зразків з РДТП для проведення експериментальних досліджень, та обгрунтовані безпечні режими вирізання. Обгрунтовані методи і методика досліджень, визначені обсяги та параметри випробувань. Виконані експериментальні дослідження властивостей СТРП, що впливають на безпеку робіт з утилізації РС-22 після їх тривалого зберігання. Здійснена класифікація СТРП, як вибухових речовин, та розроблені рекомендації по безпечному вийманню, транспортуванню і зберіганню палива, а також рекомендації щодо заходів безпеки при переробці палива у промислові вибухові речовини.

Ключовi слова: параметри безпеки, вибухові речовини, горіння, детонація, сумішеве тверде ракетне паливо, випробування, утилізація.



АННОТАЦИЯ

Шиман Л.Н. Обоснование параметров безопасности работ по утилизации ракетных двигателей твердого топлива - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.01 - “Охрана труда” - Национальная горная академия Украины, Днепропетровск, 2000.

В диссертации выполнено обоснование возможности безопасной утилизации межконтинентальных баллистических ракет РС-22, путем извлечения смесевого твердого ракетного топлива и его переработки в промышленные взрывчатые вещества.

Выполнен анализ имеющегося опыта утилизации ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) и конверсионных взрывчатых веществ (ВВ). При длительном хранении РДТТ смесевое твердое ракетное топливо (СТРТ) подвергаются медленному распаду, в топливе могут накапливаться продукты распада, которые способны действовать автокаталитически и существенно изменять его характеристики, происходит ухудшение прочности и эластичности СТРТ, нарушение сплошности зарядов, возникают дефекты (отслоения, трещины) в зарядах, что может привести к возникновению аварийных ситуаций при утилизации РДТТ.

Показано, что ликвидация РДТТ путем прямого сжигания топлива экономически неэффективна, процесс сжигания характеризуется высокой вероятностью аварий и выбросом большого количества вредных веществ в окружающую среду. Наиболее приемлемой является утилизация РДТТ путем извлечения топлива и переработки его в промышленные ВВ. Проанализированы известные методы ликвидации РДТТ: путем механического извлечения, гидродинамического и криогенного вымывания СТРТ. Основным условием применения этих методов является обеспечение безопасности извлечения СТРТ и его последующей утилизации в коммерческие ВВ, для чего необходимо проведение исследований всей совокупности опасных и вредных факторов, возникающих при выполнении работ с СТРТ, выполненных с учетом изменения свойств и характеристик топлива в процессе длительного хранения.

Теоретически исследована возможность возникновения аварийных ситуаций при вырезке образцов топлива из РДТТ для проведения экспериментальных исследований. Возникновение аварийных ситуаций связано с воспламенением топлива в результате воздействия режущего инструмента. Условием гарантированной безопасности принято недопущение нагрева поверхности топлива до температуры, при которой начинается интенсивный пиролиз его горючей компоненты. Исходя из этого определены безопасные режимы вырезки топлива для последующих лабораторных исследований.

Показано, что воспламенение топлива при вырезке образцов может привести к быстрому развитию процесса горения и возникновению тепловых потоков и реактивной тяги, способных вызвать перемещение изделия и разрушение здания. Снижение скорости развития процесса горения достигается при вырезке топлива в инертной среде, изоляции свободной поверхности канала огнестойкими покрытиями, смачивании зоны резания водой, маслом или спирто-хладоновой смесью, что повышает эффективность пожаротушения и обеспечивает своевременную эвакуацию персонала на безопасное расстояние, а снятие технологических крышек с двух сторон изделия и применение элементов крепления, рассчитанных на усилие не менее 160 кН, исключает возможность перемещения изделия.

Обоснованы методы и методика исследований, которые учитывают свойства СТРТ и особенности предполагаемых методов его утилизации и позволяют выполнить комплекс исследований с минимальными затратами. Определены объемы и параметры испытаний с учетом комплекса возможных внешних воздействий на топливо в процессе утилизации.

Выполнены экспериментальные исследования свойств моноблочного и измельченного СТРТ I, II и III ступени МБР РС-22 после продолжительного хранения, а также свойств измельченного СТРТ в стабилизирующих растворах и в составе водосодержащих ВВ (ВВВ). В результате исследований определена термическая стойкость топлива и указанных составов, их тротиловый эквивалент, чувствительность к ударному воздействию взрыва и действию электродетонатора, чувствительность к удару, трению и электростатическим разрядам в нормальных условиях, при низких и криогенных температурах. Определены физико-механические характеристики СТРТ и параметры характеризующие процесс горения топлива и возможность его перехода в детонацию.

Определено удельное газовыделение СТРТ при различных значениях удельной поверхности исследуемых образцов и pH в водной среде, в многоатомных спиртах, растворах солей нитрата аммония, натрия, кальция, перхлората аммония, ацетата натрия, стабилизирующих растворах, а также в составе ВВВ, при различном процентном содержании в них топлива. Установлено влияние на газовыделение длительности нахождения топлива в ВВВ и обработки СТРТ жидким азотом.

Полученные результаты исследований позволили классифицировать СТРТ как взрывчатые вещества и разработать рекомендации по безопасному извлечению, транспортированию и хранению топлива, а также по мерам безопасности при переработке топлива в промышленные ВВ, которые использованы ПО “ПХЗ” при разработке технологических схем и выборе оборудования для утилизации РДТТ РС-22.

Ключевые слова: параметры безопасности, взрывчатые вещества, горение, детонация, смесевое твердое ракетное топливо, испытания, утилизация.



ABSTRACT

Shiman L.M. A substantiation of parameters safety labour on salvaging rocket drives of solid combustible - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.26.01 - «Labour Protection» - National mining university of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2000.

In the dissertation the substantiation of an opportunity safe salvaging of the intercontinental ballistic rocket SS-24 drives with solid combustible is executed, by extraction of solid rocket combustible and its processing at industrial explosives.

The analysis of possible paths of the salvaging drives is executed, the factors influencing on safety of process salvaging are revealed. The opportunity of occurrence of emergencies is theoretically investigated, bound with ignition of combustible at cutting it model from drives for carrying out of experimental examinations, and the safe modes of a cutting are spotted. The methods and procedure of examinations are proved, the volumes and parameters of trials are spotted. The experimental examinations of properties combustible are executed which influence safety labour on salvaging SS-24 after their long-lived storage. The classification of combustible as explosives is carried out and the recommendations for safe extraction, transportation and storage of combustible, and also recommendation concerning safety measures designed at processing combustible in industrial explosives.

Key words: parameters of safety, explosives, combustion, detonation, смесевое solid rocket combustible, trial, salvaging.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Накопичений за попередні роки в Україні величезний арсенал різних озброєнь, у тому числі і таких найбільш довершених та дорогих видів як твердопаливні міжконтинентальні балістичні ракети (МБР), нині вимагає великих витрат, пов'язаних не стільки з підтримкою виробів в бойовій готовності, скільки із забезпеченням безпеки при їх зберіганні і обслуговуванні. По мірі старіння МБР із ракетними двигунами твердого палива (РДТП) ці вироби не можуть більше використовуватися і підлягають утилізації. При тривалому зберіганні МБР їх паливо зазнає повільного розпаду, причому продукти розпаду здатні діяти автокаталітично і істотно змінювати характеристики палива, що збільшує небезпеку роботи з виробами. До таких виробів відносяться триступінчаті МБР РС-22 (відомі за межами СНД під назвою SS-24). Можливе часткове їх використання у різних галузях промисловості не вирішує усіх проблем, пов'язаних з їх ліквідацією. Тому, згідно «Програми спільного зменшення загрози» між Урядами України і США, МБР РС-22, в основному, повинні бути знищені або утилізовані.

З економічної точки зору більш перспективною є утилізація МБР, при якій можливе повторне використання окремих вузлів і агрегатів, а також коштовної сировини та матеріалів, затрачених на виготовлення виробів. Основними проблемами, які виникають як при знищенні так і при утилізації ракет, є проблеми, пов'язані із знищенням чи переробкою сумішевого твердого ракетного палива (СТРП). Знищення такого палива шляхом спалення економічно невиправдано і супроводиться значним надходженням шкідливих продуктів горіння в довкілля. Більш доцільна утилізація палива і його повторне використання, наприклад як добавки до промислових вибухових речовин (ВР). Однак, враховуючи високу потенційну небезпеку виконання робіт з СТРП і зміни, що сталися з ним за час тривалого зберігання, перш ніж приступити до розробки промислової технології процесу утилізації палива необхідно мати інформацію стосовно можливих параметрів безпечного впливу на паливо при його транспортуванні, вийманні і переробці, а також стосовно способів підвищення стійкості і стабілізації палива в процесі виконання робіт з ним.

Тому проведення досліджень по обгрунтуванню параметрів безпеки робіт з утилізації РДТП є актуальною задачею.

Рішенню цієї актуальної задачі і присвячена дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно до комплексної програми поетапного скорочення і ліквідації міжконтинентальних балістичних ракет РС-22, затвердженою розпорядженням Президента України від 2.12.97р., № 423/97-РП.

Мета і задачі досліджень.

Метою дисертаційної роботи є обгрунтування параметрів впливу на сумішеве тверде ракетне паливо при утилізації ракетних двигунів твердого палива, які забезпечують безпеку процесу утилізації.

Для досягнення поставленої мети необхідно:

- провести аналіз існуючих методів утилізації РДТП та стану досліджень, стосовно забезпечення безпеки робіт при утилізації і переробці ВР;

- виявити і дослідити чинники, що впливають на безпеку всіх етапів робіт, пов'язаних з утилізацією РДТП;

- обгрунтувати параметри безпечного виконання робіт по підготовці зразків СТРП до випробувань;

- розробити заходи по порятунку персоналу при виникненні небезпечних ситуацій;

- обгрунтувати методи і методики виконання робіт по оцінці параметрів безпечного впливу на СТРП;

- провести дослідження чинників, що впливають на безпеку утилізації РДТП.

- розробити рекомендації по безпечному поводженню з паливом в процесі його утилізації.

Ідея роботи полягає в тому, що безпека, економічність і мінімальне забруднення навколишнього середовища при утилізації МБР РС-22 можуть бути забезпечені шляхом вилучення сумішевого твердого ракетного палива із ракетних двигунів і його переробки в промислові ВР.

Основні наукові положення та результати, їх новизна.

Положення. 1. Тривале зберігання СТРП привело до істотних змін вибухових характеристик палива, погіршення міцності і еластичності, порушення суцільності зарядів, появи дефектів (відшаровувань та тріщин) у зарядах, що може привести до виникнення аварійних ситуацій в процесі утилізації РДТП.

Термічна і хімічна стійкість СТРП достатня для його промислової переробки в комерційні ВР, а чутливість до удару і тертя характеризує паливо як дуже небезпечне для переробки і перевезення у сухому вигляді, зниження цієї чутливості забезпечується введенням палива в стабілізуючі розчини.

При низьких і кріогенних температурах чутливість СТРП до удару, тертя та дії електростатичних розрядів зменшується, а витримка палива при кріогенній температурі не приводить до істотного збільшення газовиділення і зміни його термічної стійкості.

Наукові результати.

1. Виконано аналіз існуючих способів утилізації РДТП та забезпечення безпеки робіт при утилізації і переробці ВР. Виявлені та досліджені чинники, що впливають на безпеку всіх етапів робіт, пов'язаних з утилізацією РДТП. Вперше показано, що тривале зберігання СТРП привело до зміни його фізико-хімічних характеристик і вибухових властивостей палива, що необхідно враховувати при розробці технологічних схем з утилізації РДТП.

2. Досліджені операції, пов'язані з виконанням робіт по підготовці зразків СТРП до випробувань. Виконано теоретичний аналіз процесу запалення і горіння палива при вирізанні зразків, обгрунтовані безпечні режими вирізання зразків для подальших лабораторних досліджень і визначені умови, що гарантують безпеку персоналу при виникненні процесу горіння у виробах.

3. Обгрунтовані методика та методи досліджень параметрів СТРП, що впливають на безпеку процесу утилізації, які враховують можливі зміни властивостей палива, особливості майбутніх методів його утилізації та можливий зовнішній впливів на паливо в процесі утилізації і дозволяють виконати комплекс досліджень з мінімальними витратами. Визначені обсяги та параметри випробувань.

4. Проведені експериментальні дослідження чинників, що впливають на безпеку всіх етапів робіт, пов'язаних з утилізацією РДТП, у тому числі термічної та хімічної стійкості СТРП, його детонаційних характеристик, чутливості до удару, тертя і дії електростатичних розрядів, які виконані з урахуванням зміни параметрів чинників при різних схемах утилізації в нормальних умовах, а також в умовах низьких і кріогенних температур.

5. Виконаний порівняльний аналіз результатів експериментальних досліджень, та обгрунтовані параметри безпечного впливу на СТРП у процесі його транспортування, виймання, зберігання і переробки в промислові ВР.

Практичне значення отриманих результатів:

Отримані результати досліджень дозволили здійснити класифікацію сухого СТРП, а також палива в стабілізуючих розчинах і в складі ВВР, як вибухових речовин, і розробити рекомендації по безпечному вийманню СТРП, його транспортуванню і зберіганню, а також рекомендації щодо заходів безпеки при переробці палива в промислові ВР.

Результати досліджень покладені в основу розробленого на ВО "ПХЗ" "Техніко-економічного обгрунтування вибору методу утилізації ТРП двигунів українських МБР SS-24", яке було схвалене відповідними урядовими комісіями, і, згідно укладеного контракту, Урядом США на фінансування робіт з утилізації РДТП МБР РС-22 виділено допомогу в сумі 52 млн. доларів США.

Реалізація запропонованих рішень здійснена шляхом їх використання виробничим об'єднанням "Павлоградський хімічний завод" (ВО “ПХЗ") при розробці технологічних схем і виборі обладнання для утилізації РДТП РС-22.

Особистий внесок здобувача полягає в постановці задач досліджень, у дослідженні особливостей чинників, що впливають на безпеку робіт, пов'язаних з утилізацією РДТП, обгрунтуванні параметрів безпечного виконання робіт по підготовці зразків СТРП до випробувань, методів і методик виконання робіт по оцінці параметрів безпечного впливу на СТРП, організації і керівництві проведенням експериментальних досліджень властивостей СТРП, аналізі результатів досліджень і обгрунтуванні параметрів безпечного впливу на СТРП у процесі його транспортування, виймання, зберігання і переробки в промислові ВР.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення дисертаційної роботи доповідались на міжнародній конференції по демілітаризації (м. Сан-Франциско, 1998 р.) міжнародних науково-практичних конференціях "Проблеми виробництва промислових вибухових речовин на сучасному етапі і утилізація боєприпасів" (м. Павлоград, 1997 р.), "Взрывное дело - 99" (м. Москва, 1999 р.) і "Проблеми та перспективи розвитку економіки України в умовах ринкової трансформації" (м. Дніпропетровськ, 1999 р.) та на IV міжнародній конференції по буровибуховим роботам (м. Москва, 1999 р.).

Публікації. За матеріалами досліджень опубліковано 12 наукових робіт у журналах та збірниках наукових праць, в тому числі 6 у наукових фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, переліку літературних джерел із 64 назв, має 150 сторінок машинописного тексту, 50 рисунків на 22 сторінках, 30 таблиць на 10 сторінках, додатки на 19 сторінках. Загальний обсяг - 206 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність досліджень, сформульовані мета і завдання досліджень, приведені основні наукові положення та результати, винесені на захист, а також відомості про практичне значення результатів роботи, їх апробацію і публікації матеріалів дослідження.

У першому розділі виконано аналіз літературних джерел та наявного досвіду ведення робіт з утилізації твердопаливних ракет та конверсійних ВР.

Питання утилізації РДТП до цього часу мало вивчені. В Україні і ближньому зарубіжжі такі роботи не проводилися. Досвід США, накопичений у цій області, не в повній мірі може бути використаний в Україні, в зв'язку з істотними відмінностями властивостей палива, що використовується в РДТП у США і МБР РС-22. В Україні та Російській Федерації накопичений певний досвід утилізації боєприпасів і інших виробів з ВР. Однак, враховуючи особливості РДТП (габарити, вагу, форму і т.п.), а також властивості СТРП, існуючі технологічні лінії, що застосовуються при утилізації боєприпасів, не можуть бути використані при утилізації МБР РС-22. Обмежене також можливе застосування відомих методів утилізації конверсійних ВР.

Виконаний аналіз відомих методів ліквідації РДТП: прямим спаленням, механічним вилученням, гідродинамічним і кріогенним вимиванням СТРП. Показано, що при утилізації РДТП шляхом видалення палива, аварії менш вірогідні, ніж при їх спаленні. При цьому є можливості для ліквідації аварій, технології екологічно більш чисті, дозволяють повернути частину капіталовкладень у вигляді комерційних ВР. Всім розглянутим методам вилучення СТРП властиві як певні достоїнства, так і недоліки. Основною умовою застосування цих методів є забезпечення безпеки вилучення СТРП і його подальшої переробки в ВР.

Показано, що при тривалому зберіганні ВР вони зазнають повільного розпаду, причому в СТРП можуть нагромаджуватися продукти розпаду, які здатні діяти автокаталітично і істотно змінювати характеристики палива. Відбувається істотне погіршення показників міцності і еластичності СТРП, порушення суцільності зарядів СТРП, виникають дефекти (відшаровування, тріщини) в зарядах, що може призвести до непередбачуваних наслідків при утилізації РДТП і виникнення аварійних ситуацій. Тому необхідне проведення досліджень усієї сукупності небезпечних і шкідливих чинників, що виникають при виконанні робіт з СТРП, виконаних з урахуванням зміни властивостей і характеристик палива в процесі тривалого зберігання.

У зв'язку з відсутністю і неможливістю виготовлення зразків палива, з властивостями СТРП, що зазнали тривалого зберігання, першим етапом виконання робіт є вирізання зразків палива з РДТП і підготовка їх до подальших випробувань.

У другому розділі приведені результати досліджень по забезпеченню безпеки робіт при вирізанні і підготовці зразків СТРП до випробувань, які показали, що в процесі вирізання палива можливе виникнення аварійних ситуацій, пов'язаних з його запаленням внаслідок впливу ріжучого інструменту на паливо. Розглянутий механізм запалення СТРП при дії на нього ріжучого інструмента. Оскільки під впливом зовнішнього джерела тепла паливо деструктує, а газоподібні продукти розпаду, що виникають при цьому, дифундують у повітря і реагують з киснем, то при вирізанні зразків палива в повітрі типовим є газодифузійний механізм запалення.

Нехтуючи процесами поширення тепла за двома координатами, виходячи з відомих рівнянь теплопровідності та з урахуванням тепла, затраченого на піроліз горючого матеріалу, нами запропонована математична модель газодифузійного запалення палива при його вирізанні у вигляді



де - теплота реакції піролізу горючої складової палива, Дж/кг; та - передекспонентні множники, с^-1; t_н - час дії інструменту на паливо, с; Е_г - енергія активації, Дж/моль; R - універсальна газова постійна, Дж/моль К; - коефіцієнт конвекційного теплообміну, м/с; - теплота реакції окислення продуктів термічної деструкції палива киснем повітря, Дж/кг; - питома теплоємність, відповідно, палива та газу, Дж/кгК; - густина газу, кг/м³; - концентрація продуктів термічної деструкції палива в газовій фазі, кг/м³.

У приведеній системі рівняння (1) описує зміни температури в твердій фазі, (2) - у газовій фазі, а рівняння (3) - зміну концентрації продуктів термічної деструкції в газовій фазі.

Граничні умови при цьому мають вигляд

; ;

;

Для визначення енергії, необхідної для запалення, і періоду індукції запалення необхідно рішення приведеної системи нелінійних диференціальних рівнянь. Аналітичне рішення системи рівнянь у представленому вигляді неможливе.

Процес нагріву палива при його механічному вирізанні короткочасний і характеризується великим потоком енергії, що приводить практично до миттєвого нагріву поверхні. Враховуючи це, а також те, що при вирізанні зразків за умову гарантованої безпеки можна прийняти недопущення нагріву поверхні палива понад температуру Т, за якої починається інтенсивний піроліз горючої компоненти палива, задачу можна істотно спростити. Без урахування тепла, що витрачається на термічне розкладання горючої компоненти палива, і тепловіддачі в довкілля задача зводиться до рішення рівняння теплопровідності, що описує зміни температур у твердій фазі

при граничних і початкових умовах

;

;

Утворення тепла в процесі вирізання зумовлене процесами деформації стружки в зоні стружкоутворення, а також тертя інструмента об поверхню палива і стружки, що зрізається. Теплота деформації розподіляється між стружкою і паливом, а потім частково передається ріжучому інструменту в зоні контакту його поверхонь зі стружкою та паливом.

Аналіз теплових процесів у зоні вирізання показав, що до 75% тепла акумулюється в стружці, а процес поширення тепла в ній можна представити як результат впливу об'ємного джерела інтенсивністю



де - відповідно ширина стружки, що зрізається, довжина зони зсуву і глибина різу, м; - тангенціальна складова сили різання, Н; - швидкість різання, м/с.

Час, протягом якого джерело тепла впливає на паливо

Прийнявши, що у всьому об'ємі стружки палива тепло за час t_н виділяється рівномірно і з постійною інтенсивністю

нами отримане рішення рівняння (5) у вигляді

З урахуванням експериментально отриманої залежності величини тангенціальної складової сили різання Р_z від швидкості та глибини різання, а також ширини стружки, що знімається, при прийнятій нами умові забезпечення безпеки механічного вирізання палива, запалення СТРП при вирізанні зразків виключається, коли



де k_р - емпіричний коефіцієнт, що залежить від міцності матеріалу і умов різання, Нм^-6.

Виходячи з цього, нами розрахована безпечна величина енергії, яка виділяється в зоні різання Е, коли гарантовано не відбувається запалення палива. За нормальних умов вона становить 1,5 Дж.

За умовами безпеки, при розрахунку режимів вирізання нами прийнятий граничний режим, коли величина Е = 1,0 Дж і робочий режим, коли величина Е= 0,8 Дж, для яких зроблений розрахунок геометричних розмірів ножів, швидкості і глибини різання. Так, для ножів з шириною ріжучої частини 10 мм, при глибині різу 3 мм - безпечна швидкість різання не перевищує 50 мм/с; а при глибині різу 5 мм - не більше за 35 мм/с.

Вказані розрахунки були виконані на основі даних стосовно механічного впливу на сухе паливо. При вирізанні передбачається змочування місця вирізання і ріжучого інструмента водою, спиртово-хладоновою сумішшю чи трансформаторним маслом. Таке змочування, завдяки флегматизуючому ефекту, знижує чутливість СТРП до механічного впливу і, відповідно, збільшує значення критичної енергії Е.

Для оцінки чинників, що впливають на безпеку операції вирізання зразків палива, нами розглянуті можливі наслідки запалення палива у каналі виробу.

При розвитку процесу горіння СТРП прийнято виділяти три фази:

- запалення або місцеве збудження реакції горіння;

- займання або розповсюдження горіння по поверхні речовини;

- горіння або поширення реакції в глибину речовини.

Швидкість розповсюдження горіння по поверхні палива у повітрі істотно більше швидкості горіння, що пов'язано з участю в реакції кисню повітря. У відповідності з паспортними даними на СТРП максимальне значення швидкості розповсюдження горіння по поверхні монолітного палива, при поширенні полум'я знизу - вгору, не перевищує 1 см/с. Однак, внаслідок тривалого зберігання виробів можливе порушення суцільності верхнього шару палива, що проявляється в утворенні тріщин та відшаровувань. У процесі вирізання також можлива поява тонкої стружки палива. Вказані обставини можуть привести до істотного збільшення швидкості поширення полум'я по поверхні палива. Тому, при аналізі процесів горіння палива, значення швидкості розповсюдження полум'я по поверхні нами розраховувалося за відомою залежністю, яка отримана для випадку горіння термічно тонких шарів матеріалу

де - теплопровідність газової фази, вт/м К; h - товщина шару палива, м; Т_s - температура поверхні при якій виникає горіння, К; Т_пл - температура полум'я, К.

Виконані розрахунки показали, що максимальна швидкість поширення полум'я по відкритій поверхні, при наявності тонких відшаровування може досягати 8 см/с. З урахуванням цього, а також паспортного значення швидкості вигорання СТРП у третій фазі (2 мм/с), нами проведені розрахунки маси палива, що вигоріло, в залежності від тривалості горіння, і оцінено час за який відбувається зниження концентрації кисню в камерах РДТП до критичної величини, при якій припиняється поверхневе розповсюдження полум'я. У результаті встановлено, що до моменту припинення поверхневого розповсюдження полум'я процес горіння досягає таких масштабів, що, за рахунок нагріву сусідніх дільниць поверхні каналу виробу високотемпературними продуктами горіння, створюються умови для запалення дільниць поверхні каналу, розташованих поза зоною горіння. Особливо сприятливі умови для такого запалення характерні для каналів складної фігурної форми, з малою відстанню між сусідніми поверхнями каналу. Поява нових дільниць горіння приводить до значного прискорення процесу вигорання палива і поширення горіння на всю поверхню каналу. Запалення всієї поверхні каналу приводить до різкого зростання масової швидкості вигоряння палива, яка для виробу 728, при лінійній швидкості вигоряння біля 2 10^-3 м/с, складе біля 50 кг/с. Це приведе до швидкого заповнення високотемпературними продуктами горіння всього об'єму приміщення і створить загрозу для персоналу.

Враховуючи викладене, при вирізці зразків палива для випробувань необхідно передбачити додаткові заходи, направлені на сповільнення розвитку процесу горіння палива у разі його запалення, з цією метою передбачається ізоляція внутрішньої поверхні каналу вогнестійким шаром фарби, що обмежує розповсюдження полум'я по поверхні і створює більш сприятливі умови для системи пожежогасіння, а також проведення операції вирізання в інертному середовищі (при заповненні каналу азотом) і полив зони вирізання водою, трансформаторним маслом, або спиртово-хладоновою сумішшю.

Реактивна тяга, що виникає при вигоранні палива у виробах при їх загоранні, здатна викликати їх переміщення в горизонтальній площині. Для встановлення імовірності переміщення виробу нами визначені сили, що виникають при запаленні виробу з відкритим каналом, для найбільш небезпечних випадків.

За сталого режиму горіння, сумарна тяга визначається як

де - площа горіння, м²; W - лінійна швидкість горіння палива, м/с; J - механічний еквівалент теплоти, кгм/Дж; Q - калорійність СТРП, Дж/кг; _с - площа перетину вихідних каналів, м²; P_к і P_а - тиск у камері і за її межами, Па.

Виконані розрахунки показали, що у разі загорання виробів можлива поява сил, що приводять до їх переміщення. При знятті технологічних кришок з двох сторін виробів, найбільша величина такої сили для виробу 665 складає 80 кН. Тому, з урахуванням двократного запасу, для виключення переміщення виробів при загоранні, нами передбачено застосування елементів кріплення, розрахованих на зусилля не менше 160 кН.

Для забезпечення безпеки операцій по вирізанню зразків палива, у розділі розроблено також ряд додаткових організаційних і технічних заходів.

Третій розділ присвячений обгрунтуванню методів і методик експериментальних досліджень властивостей СТРП, що впливають на безпеку процесу утилізації. Паливо, в залежності від його складу і умов, у тій або іншій мірі може протистояти зовнішнім впливам (енергетичним імпульсам) і не приходити до вибухового хімічного розкладання. Початкові імпульси визначаються виглядом і величиною різних форм енергії: теплової, механічної, електричної, променевої, хімічної та енергії іншої ініціюючої ВР.

При розробці нових ВР основним методом визначення їх характеристик є експериментальний, при цьому, як правило, застосовуються єдині методичні основи. Ця обставина дозволяє порівнювати отримані результати і узагальнювати їх на аналогічні умови.

При оцінці чинників, що впливають на безпеку процесів утилізації РДТП, нами враховані всі операції, що виконуються з двигунами або паливом з моменту початку руху ізотермічного вагону з РДТП від станції призначення, прибуття на територію заводу і до встановлення двигуна на зберігання після вилучення палива. З цією метою проаналізована кожна технологічна операція і встановлені небезпечні чинники і можливі нештатні ситуації, внаслідок чого визначений комплекс зовнішніх впливів на паливо, який і став основою для проведення лабораторно-експериментальних досліджень.

Планом проведення досліджень передбачені наступні випробування зразків палива кожного ступеня:

- дослідження параметрів безпеки при термічному впливі на паливо і визначення його детонаційних характеристик (термічної стійкості палива, теплоти вибуху, тротилового еквівалента, можливості переходу горіння в детонацію, чутливості до детонаційного імпульсу і передачі детонаційного імпульсу, швидкості горіння і поширення полум'я за нормальних умов і при підвищеному тиску);

- оцінка параметрів безпеки при механічному впливі на паливо (чутливості палива до удару, тертя і механічної обробки);

- дослідження хімічної стійкості палива (в реакційних середовищах, у стабілізуючих розчинах та у складі водонаповнених ВР (ВВР): водогельових (ВГВР) та водоемульсійних (ВЕВР);

- дослідження чутливості палива до впливу електричних розрядів;

- дослідження фізико-механічних характеристик палива;

- дослідження впливу на властивості палива низьких і кріогенних температур (чутливості палива до удару, тертя і механічної обробки, хімічної стійкості, чутливості до електричних розрядів при низьких та кріогенних температурах).

Визначення значної частини властивостей СТРП передбачено здійснювати за методиками і методами рекомендованими ООН, що використовуються при випробуваннях ВР. Для проведення решти досліджень (дослідження властивостей палива при низьких та кріогенних температурах, чутливості до механічної обробки, чутливості до детонаційного імпульсу і передачі детонаційного імпульсу, швидкості горіння і поширення полум'я) були розроблені оригінальні методи і методики або доопрацьовані існуючі. Визначені обсяги досліджень та уточнені параметри випробувань з урахуванням властивостей СТРП, комплексу можливих зовнішніх впливів на паливо і особливостей передбачуваних методів його утилізації.

Дослідження чинників, що впливають на безпеку процесів утилізації РДТП, частково було здійснене на випробувальному обладнанні, що використовується при визначенні властивостей ВР, а частково на описаному в розділі оригінальному обладнанні, яке було розроблено і виготовлено для визначення властивостей СТРП на ВО "ПХЗ".

У четвертому розділі приведені результати проведених досліджень властивостей СТРП, що впливають на безпеку процесу утилізації палива.

Виконані дослідження показали, що термічна стійкість зразків палива I, II та III ступеня при швидкості нагрівання від 2 до 20 К/хв., відповідно, складає: 230 ⁰С, 160 ⁰С і 160 ⁰С, що досить для промислової переробки СТРП. При нагріванні палива у стабілізуючих розчинах до 150-160 ⁰С не відбувається автокаталітичних процесів, а також процесів, викликаних хімічними реакціями між компонентами палива, стабілізуючих розчинів і вибухових речовин. Найкраща термічна стійкість забезпечується у стабілізуючому розчині на основі напівфабрикату № 2, який може бути рекомендовано для використання при стабілізації палива і переробці його у промислові ВР.

СТРП II і III ступеня мають теплоту вибуху 4590-5015 кДж/кг і тротиловий еквівалент 1,2. СТРП I ступеня має теплоту вибуху 2500-2925 кДж/кг і тротиловий еквівалент 0,62. ВВР, що містять СТРП I, II, III ступенів, володіє теплотою вибухового перетворення на рівні традиційних промислових ВР (3550-4180 кДж/кг) з тротиловим еквівалентом - 0,8 - 1,0.

Горіння монолітного СТРП всіх ступенів, а також подрібненого СТРП II, I ступенів у детонацію не переходить. Горіння подрібненого СТРП III ступеня в умовах зростаючого тиску переходить у детонацію. Введення подрібненого палива у стабілізуючі розчини і ВВР повністю виключає можливість переходу горіння в детонацію.

По методиці ООН 2а) монолітне паливо всіх ступенів і ВВР із подрібненим паливом є нечутливими до ударного впливу вибуху. Чутливість СТРП до ударного впливу вибуху близька до чутливості деяких промислових ВР, наприклад тротилу. Збільшення змісту СТРП у ВВР підвищує їх сприйнятливість до детонації. Критичний тиск збудження детонації для ВВР із вмістом 10% подрібненого СТРП у три рази вище, ніж для тротилу.

Монолітне паливо усіх ступенів не чутливе до дії електродетонатора № 8. Подрібнення палива приводить до підвищення чутливості до детонаційного імпульсу. По методиці ООН 5а) чутливими є тільки стружка СТРП III і II ступенів. У стабілізуючих розчинах найменшою чутливістю до електродетонатора володіє СТРП у маточному напівфабрикаті № 2. Збільшення вмісту СТРП у складах ВВР підвищує їх чутливість до детонаційного імпульсу.

Швидкість горіння зразків палива, отримана для зразків із заброньованою бічною поверхнею, найбільша для палива III ступеня - 3,22 мм/с, а найменша для палива I ступеня - 1,46 мм/с. Швидкість розповсюдження полум'я по горизонтальній поверхні монолітних зразків палива знаходиться у межах від 6,7 до 7,2 мм/с, а при вертикальному розташуванні зразків вона становить 8-10 мм/с при запаленні знизу і 4-5,6 мм/с при запаленні зверху. При збільшенні тиску навколишнього середовища до 1 МПа швидкість горіння зростає до 6,5 - 7 мм/с.

Гранична енергія удару, що приводить до вибуху зразків СТРП III, II і I ступенів, відповідно, дорівнює: 1,5 Дж, 8,5 Дж і 12,5 Дж, що дозволяє оцінити стружку СТРП III ступеня як таку, що відноситься до речовин дуже небезпечних для перевезення у тому вигляді, в якому вона випробовувалася. Стружка СТРП II і I ступенів по величині граничної енергії удару не відноситься до таких речовин, однак відноситись до неї необхідно як до речовин, що є високочутливими до механічних впливів. Використання напівфабрикатів для стабілізації стружки СТРП дозволяє зменшити її чутливість до удару в 1,2-8 разів, у залежності від виду СТРП і його вмісту в розчинах. Найбільше зниження чутливості до удару забезпечують стабілізуючі розчини на основі маточної емульсії і маточного напівфабрикату № 2 при вмісті стружки СТРП III ступеня 25%, стружки СТРП II і I ступенів не більше за 50%. Введення стружки СТРП до ВВР дозволяє отримати речовини, що мають чутливість до удару в 1,8-13 раз меншу відносно сухого СТРП, у залежності від виду і вмісту палива. При вмісті стружки СТРП у складі ВВР менше 20%, їх чутливість до удару знаходиться на рівні чутливості до удару звичайних промислових ВР.

Визначення чутливості до тертя показало, що граничне навантаження, яке не приводить до вибуху стружки зразків СТРП III ступеня, дорівнює 18 Н, а для СТРП II і I ступенів - 48 Н, що характеризує їх як речовини, дуже небезпечні для перевезення у тому вигляді, в якому вони випробовувалися. Стабілізація палива напівфабрикатами і ВВР дозволяє зменшити чутливість до тертя. Найбільш ефективним середовищем для стабілізації є маточна емульсія, маточний напівфабрикат № 2 і ВЭВР. При вмісті стружки СТРП у складі ВВР менше 20% їх чутливість до тертя знаходиться на рівні промислових ВР.

У процесі механічної обробки, при енергетичному впливі на паливо III і II ступенів 25-26 Дж і 35 Дж на паливо I ступеня запалення зразків СТРП не відбувається.

В порівнянні з початковими, після тривалого зберігання МБР істотно погіршилися показники, що характеризують міцність і еластичність СТРП III і II ступенів. Так, величина мінімальної роботи по руйнуванню зразків СТРП при розтягуванні зменшилась в 2-2,5 рази. Аналогічні показники палива I ступеня змінилися несуттєво.

Випробування СТРП III, II, I ступенів при низьких і кріогенних температурах показали, що з пониженням температури зразків СТРП їх чутливість до механічних впливів зменшується. Так, їх чутливість до удару і тертя знижується в 2-3 рази, причому рівень чутливості до удару СТРП III ступеня залишається вищим, ніж для гексогену, а для СТРП II, I ступенів знижується до рівня промислових ВР.

Експериментально знайдені рівні питомого газовиділення зразків СТРП III, II і I ступеня у воді при температурі 60 ⁰С відповідно складають: 0,11-0,14 см³/г годину, 0,011-0,012 см³/г годину і 0,009-0,010 см³/г годину. Збільшення температури середовища до 80 ⁰С приводить до збільшення газовиділення в 2- 4 рази. Питоме газовиділення для СТРП практично не залежить від величини pH води (в межах 2,5-10,5) і величини питомої поверхні зразків (в діапазоні значень від 0,3 до 1,5 м²/кг). Після витримки у рідкому азоті хімічна активність зразків залишається практично без змін. У розчині оцтової кислоти питоме газовиділення збільшується в 20 раз для зразків III ступеня і в 200-220 раз для зразків II і I ступенів.

Використання як реакційного середовища багатоатомних спиртів (гліцерину, пропіленгліколю, етіленгліколю) приводить до зниження питомого газовиділення в 2-2,5 разу в порівнянні з водяним середовищем. Введення у водяні розчини таких солей як: нітрат амонію, натрію, кальцію; перхлорату амонію; ацетату натрію; а також гуаргама приводить до зниження рівня питомого газовиділення в порівнянні з чистою водою в 1,2-1,5 рази. Причому, із збільшенням концентрації цих солей у розчинах, відмічається зменшення газовиділення.

Стабілізація СТРП у маточних напівфабрикатах і емульсіях дозволяє на порядок знизити величину питомого газовиділення у порівнянні з водою. Оптимальним стабілізуючим розчином є маточний розчин № 2.

Незалежно від природи палива, ВВР сприяють його стабілізації. З збільшенням вмісту палива у ВВР від 10 до 30%, питоме газоутворення знижується в 3 рази. Тривале знаходження зразків СТРП у ВВР (протягом 5 місяців) при температурі 60 ⁰С не приводить до істотного збільшення газовиділення. Максимальна швидкість газовиділення відмічається у перші 30-40 годин витримки СТРП у стабілізуючих середовищах і ВВР.

Зразки СТРП III, II, I ступеня чутливі до електростатичного розряду з енергією 1,66-1,87 Дж, що у 6-8 раз перевищує величину енергії для гексогену. При роботі з такими речовинами необхідно дотримуватись вимог, розроблених для ВР з низькою чутливістю до електростатичного розряду. При низьких і кріогенних температурах чутливість до впливу електростатичних розрядів дещо знижується.

У п'ятому розділі за результатами досліджень властивостей палива, що впливають на безпеку процесу утилізації, здійснена класифікація сухого СТРП, а також палива у стабілізуючих розчинах і у складі ВВР, як вибухових речовин, що дозволяє планувати заходи безпечного поводження з СТРП, здійснювати вибір методів утилізації і обладнання необхідного для вилучення і переробки СТРП, використовуючи при цьому накопичений досвід і нормативну базу в області ведення робіт з промисловими ВР. За класифікацією ООН:

- монолітне СТРП ІІІ, ІІ ступенів віднесене до підкласу 1.2;

- монолітне СТРП І ступеня віднесене до підкласу 1.3;

- подрібнене СТРП ІІІ, ІІ, І ступенів віднесене до підкласу 1.1;

- маточний напівфабрикат № 2, що містить стружку СТРП ІІІ, ІІ, І ступенів у кількості не більше за 25% віднесений до підкласу 1.5;

- стабілізуючі розчини на основі маточної емульсії і маточних розчинів №1 і №2 з вмістом стружки ІІІ, ІІ, І ступенів до 50% віднесені до підкласу 1.1;

- паливо у складі ВГВР на основі гексаміну нітрату зі стружкою ІІІ, ІІ, І ступенів до 20% віднесені до підкласу 1.5;

- паливо у складі ВГВР на основі монометіламіна нітрату зі стружкою ІІІ, ІІ, І рівнів до 20% віднесене до підкласу 1.1.

У розділі також приведені рекомендації по безпечному вийманню, зберіганню, перевезенню і переробці подрібненого палива у промислові ВР, розроблені за результатами виконаних теоретичних та експериментальних досліджень.



ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі, шляхом дослідження сукупності небезпечних і шкідливих чинників, що виникають при виконанні робіт з сумішевим твердим ракетним паливом, виконаного з урахуванням зміни його властивостей і характеристик у процесі тривалого зберігання, вирішена актуальна науково-технічна задача забезпечення безпеки робіт з утилізації ракетних двигунів твердого палива МБР РС-22.

Найбільш важливі наукові і практичні результати, висновки і рекомендації полягають у наступному:

1. Досвід утилізації РДТП, накопичений в США і інших країнах, не в повній мірі може бути використаний в Україні, у зв'язку з істотними відмінностями властивостей палива виробів, що утилізуються. Обмежене також можливе застосування відомих методів утилізації конверсійних ВР. При тривалому зберіганні СТРП воно зазнає повільного розпаду, причому в паливі можуть накопичуватися продукти розпаду, які здатні діяти автокаталітично і істотно змінювати характеристики палива, відбувається погіршення міцності і еластичності СТРП, порушення суцільності зарядів СТРП, виникають дефекти (відшаровування, тріщини) у зарядах, що може привести до виникнення аварійних ситуацій.

2. Ліквідація РДТП шляхом прямого спалення палива економічно неефективна, процес спалення характеризується високою імовірністю аварій і викидом великої кількості шкідливих речовин у довкілля. Найбільш прийнятною є утилізація РДТП шляхом вилучення палива і переробки його в промислові ВР. Відомі методи ліквідації РДТП шляхом механічного виймання, гідродинамічного і кріогенного вимивання СТРП. Основною умовою застосування цих методів є забезпечення безпеки виймання СТРП і його подальшої утилізації в комерційні ВР, для чого необхідне проведення досліджень всієї сукупності небезпечних і шкідливих чинників, що виникають при виконанні робіт з СТРП, виконаних з урахуванням зміни властивостей і характеристик палива у процесі тривалого зберігання.

3. При вирізанні зразків палива з РДТП для проведення подальших досліджень можливе виникнення аварійних ситуацій, пов'язаних із запаленням палива внаслідок впливу ріжучого інструмента. Процес нагріву палива при його механічному вирізанні короткочасний і характеризується значним потоком енергії, що приводить практично до миттєвого нагріву поверхні. Умовою гарантованої безпеки прийнято недопущення нагріву поверхні палива до температури, за якої можливий інтенсивний піроліз його горючої компоненти. Виходячи з цього теоретично обгрунтовані безпечні режими вирізання палива для подальших лабораторних досліджень.

4. Запалення палива при вирізанні зразків може привести до швидкого розвитку процесу горіння і виникнення теплових потоків і реактивної тяги, здатних спричинити переміщення виробу і руйнування будівлі. Теоретичний аналіз процесу запалення і горіння показав, що зниження швидкості розвитку процесу горіння досягається при вирізанні палива в інертному середовищі, ізоляції вільної поверхні каналу вогнестійкими покриттями, змочуванні зони різання водою, маслом або спиртово-хладоновою сумішшю, що підвищує ефективність пожежогасіння і забезпечує своєчасну евакуацію персоналу на безпечну відстань, а зняття технологічних кришок з двох сторін виробу і застосування елементів кріплення, розрахованих на зусилля не менше за 160 кН, виключає можливість переміщення виробу.

5. Обгрунтовані методи і методика досліджень, які враховують властивості СТРП і особливості можливих методів його утилізації та дозволяють виконати комплекс досліджень з мінімальними витратами. Визначені обсяги та параметри випробувань, з урахуванням сукупності небезпечних чинників, що виникають при утилізації СТРП.

6. Виконані експериментальні дослідження властивостей монолітного та подрібненого СТРП I, II і III ступені МБР РС-22 після їх тривалого зберігання, а також властивостей подрібненого СТРП I, II і III ступені у стабілізуючих розчинах та у складі ВВР. У результаті досліджень визначена термічна стійкість палива та вказаних сумішей, їх тротиловий еквівалент, чутливість до ударної дії вибуху та дії електродетонатора, чутливість до удару, тертя та електростатичних розрядів у нормальних умовах та при низьких і кріогенних температурах. Встановлені фізико-механічні характеристики СТРП та параметри, що характеризують процес горіння палива і можливість його переходу в детонацію.

7. Визначене питоме газовиділення СТРП при різних значеннях питомої поверхні досліджених зразків та pH у воді, багатоатомних спиртах, розчинах солей нітрату амонію, натрію, кальцію, перхлорату амонію, ацетату натрію, стабілізуючих розчинах, а також у складі ВВР, при різному процентному співвідношенні. Встановлено вплив на газовиділення тривалості знаходження палива у ВВР та обробки СТРП рідким азотом.

Отримані результати досліджень дозволили класифікувати сухе СТРП, а також паливо у стабілізуючих розчинах і у складі ВВР, як вибухові речовини, обгрунтувати вимоги та розробити швидкодіючу автоматичну систему пожежогасіння, розробити рекомендації по безпечному вийманню, транспортуванню і зберіганню палива, а також рекомендації щодо заходів безпеки при переробці палива у промислові ВР, які використані ВО “ПХЗ" при розробці технологічних схем і виборі обладнання для утилізації РДТП РС-22.



ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ У РОБОТАХ

1. Голинько В.И., Шиман Л.Н. Исследования чувствительности смесевого твердого ракетного топлива к ударам при его утилизации // Науковий вісник Національної гірничої академії України. - 1999, №4 - С.61 - 63.

2. Голинько В.И., Шиман Л.Н. Исследования чувствительности смесевого твердого ракетного топлива к электростатическим разрядам // Науковий вісник Національної гірничої академії України. - 1999, №5 - С.104 - 106.

...